鋼管混凝土核心柱節點有限元模擬

胡鵬飛 羅輝輝

(1.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127； 2.揚州大學廣陵學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

近年來，隨著對既有房屋增層改造的興起，不少學者[1-4]提出一系列新型框架結構，其中框架梁和框架柱多數采用型鋼和鋼筋混凝土材料的一種或兩種結合制作而成，并取得一定研究成果[5,6]。但節點作為連接梁柱的關鍵部位，是結構安全工作的前提，目前仍未得到充分研究，尤其是鋼管混凝土核心柱節點。

采取試驗方法研究參數對鋼管混凝土核心柱節點的影響，必然存在若研究參數多，對應的價格會提高問題，因此很多學者采用非線性軟件作為另一種研究方法[7]，本文在試驗結果的基礎上，建立鋼管混凝土核心柱節點數值模型進行模擬分析，并與試驗結果對比。

1 有限元模型的建立

1.1 材料本構

節點柱截面以混凝土受到約束作用的不同為根據分為保護層混凝土、鋼管內混凝土和兩者間混凝土；同樣節點梁截面混凝土分為保護層混凝土和箍筋約束區混凝土，如圖1所示。

節點梁內箍筋約束區混凝土、節點柱內鋼管外部箍筋約束區混凝土及梁柱保護層混凝土的受壓應力—應變關系采用Mander[8]模型；節點柱內鋼管內混凝土的受壓應力—應變關系采用韓林海[9]提出的適用于ABAQUS的本構模型；混凝土的受拉應力—應變關系采用過鎮海[10]提出的雙參數模型，工字鋼、鋼管、縱筋和箍筋均采用理想彈塑性本構模型[11-14]。

1.2 數值模型的建立

本文采用實體單元C3D8R來模擬混凝土；桁架單元T3D2模擬縱筋和箍筋；鋼梁及鋼管采用殼單元S4R來模擬。為了防止加載位置及約束位置產生應力集中，在各部位設置的墊板也采用殼單元S4R來模擬。

本文按照試驗尺寸將數值模型分為混凝土節點、鋼筋骨架和型鋼骨架三部分，并且由于文獻[15]指出建立數值模型可以不考慮鋼管與混凝土之間的粘結滑移，所以通過嵌入技術將三部分形成整體分析。節點有限元模型劃分如圖2所示。

1.3 邊界條件和荷載施加

根據試驗設計，本文采用柱端加載的方法對試驗試件進行模擬加載，約束柱底和梁端在平面內2個方向的平動。為了防止應力集中導致計算不收斂，將柱頂軸壓力簡化為面荷載施加在柱頂，同時在邊界條件和荷載施加處設置剛度無限大墊板。通過位移控制的方法，在柱頂側向墊塊的中心施加相應的水平位移。最終模型的荷載、邊界條件如圖3所示。

2 結果分析

由于數值模型施加往復荷載不易收斂，且獲得的滯回效果極不理想，所以本文僅對數值模型采取單調加載。

2.1 試驗簡介

試件按平面設計，不考慮平面外的影響，柱下端及梁端采用鉸接連接，模擬柱身反彎點，鋼管混凝土核心柱節點試件配筋圖如圖4所示。

實測鋼管、工字鋼、內環板屈服強度分別為255 MPa,288.1 MPa和291.2 MPa，實測鋼筋直徑8,12,25的屈服強度分別為388.4 MPa,402.3 MPa,445.3 MPa。實測混凝土立方體抗壓強度為46.1 MPa。

2.2 結果對比

荷載—位移曲線與試驗所得到的滯回曲線對比結果如圖5所示，從圖5中可以看出兩者的初始剛度和最大承載力基本吻合，表明本文所建立的數值模型的正確性。

2.3 破壞形態對比

由于本文僅對數值模型進行單調加載模擬分析，所以該模型的破壞形態僅存在一個方向加載到最大水平位移時的破壞形態。圖6給出了混凝土部件在極限荷載時沿水平方向(X方向)的應變E11分布，從圖6中可以看出，在單調加載的情況下，梁端混凝土分別出現受拉和受壓區，核心區混凝土沿對角線方向出現拉應變，其結果與試驗最終的破壞形態如圖6所示的梁端混凝土壓碎剝落，核心區混凝土沿對角線發生剪切破壞的結果是一致的。

3 結語

本文通過對一個鋼管混凝土核心柱節點試件建立數值模型研究分析，得到如下結論：

1)二次縮減實體單元能減少單元劃分數，提高計算效率。

2)對梁柱截面混凝土劃分不同區域并選用合理的本構關系，可以最大程度模擬試驗條件，驗證試驗結果。

3)有限元模擬所得出的荷載位移曲線與試驗滯回曲線對比發現兩者的初始剛度和最大承載力基本吻合，驗證了數值模型的合理性。

4)有限元模擬節點的破壞形態和試驗結果基本一致，表明本文所建立的模型具有一定的可靠性。

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